JP6072875B1 - 置局設計装置、置局設計方法および置局設計プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】集約局までデータ伝送可能なネットワークを構築できるロバストネス（被災害耐性）の高い無線局を特定し、低コストで信頼性の高い保守監視網を構築する。【解決手段】無線局間で順次無線接続して所定の集約局に無線接続されるマルチホップ無線ネットワークの置局設計装置において、無線局および集約局の無線局情報および地形情報から無線局間または無線局と集約局の無線伝送品質を計算し、集約局まで無線接続可となる無線局を特定し、集約局から各無線局までの最短ホップ数を算出する手段と、最短ホップ数が１となる無線局のロバストネスを最大値とし、他の無線局との接続経路が１本の無線局のロバストネスを最小値として設定し、その他の無線局のロバストネスを該最大値と該最小値の中間値として設定する無線局ロバストネス算出手段と、無線局のロバストネスの値に応じて置局優先順位を指定する置局優先順位設定手段とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、無線系保守監視網を構築するマルチホップ無線ネットワークの置局設計に用いる置局設計装置、置局設計方法および置局設計プログラムに関する。

電気通信サービスの安定的な提供において、電気通信設備の稼働状況を逐次把握する保守監視の実施が必要である。保守監視は保守監視網を経由して保守監視拠点に定期的に監視信号を送信することで成立する。例えば、ＩＰ系設備についてはＳＮＭＰトラップ信号等、通信建物内給電情報については地気信号等による監視が挙げられる。これらの監視信号が保守監視網に接続される有線ネットワークによる通信で行われるとき、広域災害等により電気通信設備の障害と共に保守監視網の有線ネットワーク障害が発生した場合に、保守監視拠点への監視信号の途絶により、局監視が機能できなくなる。

そこで有線の保守監視網による通信ができなくなった場合に、設備拠点毎に無線局を設置し、無線通信により隣接する無線局を経由して保守監視拠点となる集約局に信号を伝送するマルチホップ無線ネットワークを構築することが効果的である。その場合、既存建屋に無線装置を設営することにより、各無線局が集約局までのマルチホップ経路の構築可否について設備設計者に示し、無指向性アンテナと指向性アンテナの最適組み合わせ配置について設計者が知る必要がある。

無線ネットワークの構築に係る置局設計法については、例えば特許文献１では、基地局を中心としたセンタセル無線エリア、また特許文献２では複数の基地局でエリアを構築するサイトセル無線エリアについて、それぞれ無線局の置局設計方法および無線エリアの可視化手法を示している。

特開２０１１−２３４０９１号公報 特開２０１３−０４６３６２号公報

無線局が互いに接続するマルチホップ無線ネットワークにおいて、任意の１以上の無線局が障害により機能断となった場合に、予め指定した集約局までデータ伝送可能なネットワークを構築できる被災害耐性（ロバストネス）の高い無線局を特定する技術が必要になっている。

本発明は、マルチホップ無線ネットワークを可視化し、予め指定した集約局までデータ伝送可能なネットワークを構築できるロバストネス（被災害耐性）の高い無線局を特定し、低コストで信頼性の高い保守監視網を構築することができる置局設計装置、置局設計方法および置局設計プログラムを提供することを目的とする。

第１の発明は、無線局間で順次無線接続して所定の集約局に無線接続されるマルチホップ無線ネットワークの置局設計装置において、無線局および集約局の無線局情報および地形情報から無線局間または無線局と集約局の無線伝送品質を計算し、集約局まで無線接続可となる無線局を特定し、集約局から各無線局までの最短ホップ数を算出する手段と、最短ホップ数が１となる無線局のロバストネスを最大値とし、他の無線局との接続経路が１本の無線局のロバストネスを最小値として設定し、その他の無線局のロバストネスを該最大値と該最小値の中間値として設定する無線局ロバストネス算出手段と、無線局のロバストネスの値に応じて置局優先順位を指定する置局優先順位設定手段とを備え、無線局ロバストネス算出手段は、集約局から無線局までの全経路に対して必ず通過する１の無線局または複数の組合せからなる無線局をクリティカルノードとし、該クリティカルノードの数または組合せ局数を当該無線局のロバストネスの値とする構成であり、置局優先順位設定手段は、置局優先順位が同じ無線局に対して、無線局ロバストネス算出手段で算出するクリティカルノードとしての判定回数の多い順に置局優先順位を指定する構成である。さらに、置局優先順位設定手段は、置局優先順位が同じ無線局に対して、局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定する構成としてもよい。

第２の発明は、無線局間で順次無線接続して所定の集約局に無線接続されるマルチホップ無線ネットワークの置局設計方法において、無線局および集約局の無線局情報および地形情報から無線局間または無線局と集約局の無線伝送品質を計算し、集約局まで無線接続可となる無線局を特定し、集約局から各無線局までの最短ホップ数を算出する処理ステップ１と、最短ホップ数が１となる無線局のロバストネスを最大値とし、他の無線局との接続経路が１本の無線局のロバストネスを最小値として設定し、その他の無線局のロバストネスを該最大値と該最小値の中間値として設定する処理ステップ２と、無線局のロバストネスの値に応じて置局優先順位を指定する処理ステップ３とを有し、処理ステップ２は、集約局から無線局までの全経路に対して必ず通過する１の無線局または複数の組合せからなる無線局をクリティカルノードとし、該クリティカルノードの数または組合せ局数を当該無線局のロバストネスの値とし、処理ステップ３は、置局優先順位が同じ無線局に対して、処理ステップ２で算出するクリティカルノードとしての判定回数の多い順に置局優先順位を指定する。さらに、処理ステップ３は、置局優先順位が同じ無線局に対して、局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定してもよい。

第３の発明の置局設計プログラムは、第２の発明の処理ステップ１〜処理ステップ３をコンピュータに実行させて、集約局に接続する無線局の置局優先順位を指定する。

本発明は、集約局までの最短ホップ数やクリティカルノード数に応じて各無線局のロバストネスを判定し、ロバストネスの大きい順に置局優先順位を指定し、ロバストネスが等しく同順位の収容局についてはクリティカルノードとしての判定回数の多い順、さらに局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定することにより、ロバスト性が高く、低設備コストで信頼性の高いマルチホップ無線ネットワークの置局設計を実現することができる。

特に、クリティカルノードの組合せ局数が２以上であれば、一方のクリティカルノードの機能が停止しても他方のクリティカルノードによる経路を確保できるルートの二重化以上が可能となり、クリティカルノード数（ロバストネス）の大きい順に置局優先順位を指定する効果が大きい。

本発明の置局設計装置の構成例を示す図である。 本発明の置局設計装置の処理手順例を示すフローチャートである。 ステップＳ１〜Ｓ３の動作例を示す図である。 ステップＳ４の動作例を示す図である。 ステップＳ５の動作例を示す図である。 ステップＳ７〜Ｓ９の動作例を示す図である。 ステップＳ10〜Ｓ12の動作例を示す図である。 ステップＳ７〜Ｓ14の動作例とＳ15のロバストネスの大きい順による置局優先順位例を示す図である。 ステップＳ16のクリティカルノードとしての判定回数の多い順による置局優先順位例を示す図である。 ステップＳ16の局間の無線電力マージンの最小値の大きい順による置局優先順位例を示す図である。 本発明の効果を説明する図である。 本発明の効果を説明する図である。

図１は、本発明の置局設計装置の構成例を示す。
図１において、置局設計装置は、無線局情報設定部１１、局間無線伝送品質算出部１２、局間無線リンク接続可否判定部１３、無線局ロバストネス算出部１４、置局優先順位設定部１５により構成される。

無線局情報設定部１１は、無線局情報として無線局位置情報および無線局アンテナ高さ方向と無線局アンテナ出力端電力と無線局受信感度と、地形情報として土地標高情報を主記憶部に読み込む。局間無線伝送品質算出部１２は、無線局情報と地形情報から無線局間の無線伝送品質を計算する。局間無線リンク接続可否判定部１３は、無線局間の無線伝送品質の計算結果に基づいて無線局間の無線接続可否を判定する。無線局ロバストネス算出部１４は、無線局のロバストネスを算出する。置局優先順位設定部１５は、各無線局のロバストネスに基づき置局優先順位を指定する。

図２は、本発明の置局設計装置の処理手順例を示す。
図３〜図１０は、各処理ステップに対応する動作例を示す。

図２において、無線局情報および地形情報を用いて、すべての無線局の組み合わせにおける無線局間の無線伝送品質を算出する（Ｓ１）。次に、指定パラメータを用いて無線局間の無線接続可否を判定する（Ｓ２）。次に、予め指定する集約局から各収容局までの最短ホップ数を算出する（Ｓ３）。

図３はステップＳ１〜Ｓ３を示し、無線局Ｎ１〜Ｎ16において、それぞれ対向する無線局間の電波伝搬損失を計算し、無線接続可能な２局間の経路をすべて算出して結線する。ここで、無線局Ｎ７，Ｎ15は集約局とし、その他の無線局は集約局に収容される収容局とする。次に、集約局同士で無線接続可能な経路をランク０とする。本例では該当する経路はない。次に、集約局から収容局まで１ホップで無線接続する経路をランク１とし、その収容局をランク１局として確定する。ここでは、収容局Ｎ３，Ｎ６，Ｎ８，Ｎ11，Ｎ12，Ｎ14がランク１局となる。図中の経路に記載する数値はランク値を示す。次に、ランク１局から収容局まで１ホップ（集約局から２ホップ）で無線接続する経路をランク２とし、その収容局をランク２局として確定する。ただし、すでにランク１局となっている局はそのままである。ここでは、収容局Ｎ２，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ10，Ｎ16がランク２局となる。

次に、ランク２局から収容局まで１ホップ（集約局から３ホップ）で無線接続する経路をランク３経路とし、その収容局をランク３局として確定する。ここでは、収容局Ｎ１，Ｎ９がランク３局となる。次に、ランク３局から収容局まで１ホップ（集約局から４ホップ）で無線接続する経路をランク４経路とし、その収容局をランク４局として確定する。ここでは、収容局Ｎ13がランク４局となる。以上の処理をランク値を上げながら、すべての収容局のランク値が確定するまで繰り返す。これにより、図３に示すように集約局Ｎ７，Ｎ15から各無線局までの最短ホップ数がランク値として求まる。

次に、集約局に直接接続可能なランク１局は、無条件でロバストネス最大と判定する（Ｓ４）。図４はステップＳ４を示し、ランク１局Ｎ３，Ｎ６，Ｎ８，Ｎ11，Ｎ12，Ｎ14に、予め設定したロバストネスの最大値として100 を付与する。

次に、他の無線局との接続経路が１本の収容局は、無条件でロバストネス最小と判定する（Ｓ５）。図５はステップ５を示し、収容局Ｎ４，Ｎ13，Ｎ16に、予め設定したロバストネスの最小値として１を付与する。ここで、ロバストネス１となる収容局Ｎ４，Ｎ13，Ｎ16の１ホップ上位の収容局Ｎ８，Ｎ９，Ｎ12は、集約局Ｎ７，Ｎ15までの経路で必ず通過する収容局であり、当該収容局を「クリティカルノード」という。なお、クリティカルノードは、１つの収容局に限らず、２以上の収容局の組合せとなる場合もある。クリティカルノードの詳細については後述する。

以上の処理により、ロバストネスが 100または１の収容局は確定したが、さらにロバストネスが未判定の収容局（残収容局）があるか否かを判定し（Ｓ６）、残収容局がなければ、すべての無線局に対するロバストネスが判明しているので、ロバストネスの大きい順に置局優先順位を指定し（Ｓ17）、処理を終了する。一方、残収容局があれば、それらのロバストネスを判定するための処理に進む。

まず、残収容局Ｎi （図５の例ではＮ１，Ｎ２，Ｎ５，Ｎ９，Ｎ10）の１つを選択し（Ｓ７）、残収容局Ｎi と集約局Ｎ７，Ｎ15との間の全経路を探索し（Ｓ８）、各経路上に存在する収容局（中継局）をルート行列として算出する（Ｓ９）。図６はステップＳ７〜Ｓ９を示し、ここでは収容局Ｎ９と集約局Ｎ７，Ｎ15との間の経路のルート行列を示す。経路ａx は、収容局Ｎ９と集約局Ｎ７との間の経路となり、経路ｂy は、収容局Ｎ９と集約局Ｎ15との間の経路となる。例えば、経路ａ１はＮ９−Ｎ10−Ｎ６−Ｎ７、経路ｂ１はＮ９−Ｎ10−Ｎ14−Ｎ15というように、経路上にある収容局に「１」を入れる。

次に、残収容局Ｎi におけるクリティカルノードとなる収容局の組合せを探索し、残収容局Ｎi のロバストネスを算出する処理を行う。まず、収容局の組合せ局数Ｍを１から順に設定し（Ｓ10）、ルート行列におけるＭ個の収容局の列方向を組合せてＯＲ演算を行い（Ｓ11）、列方向を組合せてオール１となりＯＲ演算結果が「１」になる収容局の組合せを算出し、ＯＲ演算結果が「１」になる収容局の組合せがなければ、組合せ局数Ｍを１つ増やしながら評価演算を行う（Ｓ12）。

ここで、図６に示すように、収容局Ｎ９と集約局Ｎ７，Ｎ15との間のルート行列を算出すると、収容局Ｎ10の列方向がオール１でＯＲ演算結果が「１」になる、すなわち収容局Ｎ９からの全経路で収容局Ｎ10を通過するので、収容局Ｎ10がクリティカルノードとなる。また、収容局Ｎi と集約局Ｎ７，Ｎ15との間のルート行列を算出し、例えば２つの収容局の列方向を組合せてオール１となりＯＲ演算結果が「１」になれば、残収容局Ｎi からの全経路のいずれかで当該２つの収容局を通過することになり、当該２つの収容局がクリティカルノードの組合せとなる。図７はステップＳ10〜Ｓ12を示し、収容局Ｎ１と集約局Ｎ７，Ｎ15との間のルート行列において、２つの収容局（Ｎ３とＮ６、Ｎ２とＮ６、Ｎ２とＮ５）の列方向を組合せたＯＲ演算結果が「１」となり、当該２つの収容局がクリティカルノードの組合せとなる。なお、クリティカルノード数が２であることはルートの二重化が可能であることを示し、クリティカルノード数が１であることはルートの二重化が不可であることを示す。

次に、残収容局Ｎi におけるクリティカルノードの組合せ局数Ｍを残収容局Ｎi のロバストネスと算定する（Ｓ13）。次に、すべての残収容局Ｎi についてステップＳ７〜Ｓ13の処理を繰り返し、残収容局Ｎi のロバストネスを確定して計算を終了する（Ｓ14）。図８はステップＳ７〜Ｓ14を示し、残収容局Ｎ１は２個の収容局を組合せたＯＲ演算結果が「１」になり、ロバストネスは「２」となる。同様に、残収容局Ｎ２，Ｎ５のロバストネスは「２」となり、残収容局Ｎ９のロバストネスは「１」となり、残収容局Ｎ10のロバストネスは「３」となり、すべての残収容局のロバストネスが確定する。

なお、収容局Ｎ４，Ｎ13，Ｎ16については、ステップＳ５においてすでにロバストネスは「１」としているが、ステップＳ10〜Ｓ12の処理でも、残収容局Ｎ９と同様にロバストネスを「１」として算定することができる。したがって、図２のステップＳ５，Ｓ６，Ｓ17を省略し、ステップＳ４の次にステップＳ７以下を行ってもよい。

次に、ロバストネスが大きい順に置局優先順位を指定する（Ｓ15）。図８にはロバストネスの値でソートした置局優先順位を示す。集約局Ｎ７，Ｎ15に続いてロバストネス100,３，２，１の収容局が並ぶが、ロバストネス 100，２，１の収容局がそれぞれ複数あり、それぞれの置局優先順位が同順位になる。その間の置局優先順位を決めるために、クリティカルノードとしての判定回数の多い順、さらに局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定する（Ｓ16）。

図９は、ステップＳ16のクリティカルノードとしての判定回数の多い順を示す。例えば、収容局Ｎ６は、収容局Ｎ１で２回、収容局Ｎ２で１回、収容局Ｎ５で３回、収容局Ｎ10で１回の合計７回となる。よって、ロバストネス100 の置局優先順位は、Ｎ６，Ｎ３の順となり、以下Ｎ８，Ｎ11，Ｎ12，Ｎ14が同順位となる。

図１０は、ステップＳ16の局間の無線電力マージンの最小値の大きい順を示す。ここでは、収容局Ｎ８が＋４、収容局Ｎ11が＋３、収容局Ｎ12が＋１，収容局Ｎ14が＋２であるときに、置局優先順位はＮ8 ，Ｎ11，Ｎ14，Ｎ12の順となる。

このように本発明の特徴は、各収容局のロバストネスを判定し、ロバストネスの大きい順に置局優先順位を指定し、ロバストネスが等しく同順位の収容局についてはクリティカルノードとしての判定回数の多い順、さらに局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定することにより、ロバスト性、設備コスト、通信遮断率の観点から効率的な置局設計を行うことができる。

例えば、図３に示すように16地点に無線局を設置できる場所があり、かつ所定の集約局に対する各無線局の接続可否の状況に応じてマルチホップ無線ネットワークを構成するときに、16地点に満たない例えば９局を設置する場合の置局設計を想定する。無線接続可能な経路の総数は22となる。全ての場所に無線局を配置する場合の設備コストを16、通信遮断率を０／22＝０％とする。ここで、通信遮断は、各収容局の有線経路の１本が不通になったときに無線経路で救済できないときに発生するものとする。

図１１(1) は、16地点のすべてに集約局および収容局を配置する例を示す。図１１(2) は、本発明の図８〜図１０に示すような置局優先順位のもとで９局を配置する例を示す。図１１(2) に示すように、集約局Ｎ７，Ｎ15に対して、ロバストネス100 の収容局Ｎ３，Ｎ６，Ｎ８，Ｎ11，Ｎ12，Ｎ14と、ロバストネス３の収容局Ｎ10が設置される。この場合の設備コストは９となり、全16局を設置する場合に比べて９／16＝56％で44％の削減となる。ただし、通信遮断率は、全16局を設置する場合の０に比べて増える。図１１(2) のケースでは、複数の経路がないＮ４とＮ８、Ｎ13とＮ９、Ｎ16とＮ12のそれぞれの経路で通信遮断が発生し、通信遮断率は３／22＝13.6％となる。したがって、全16局を設置する場合に比べて、９局の設置としたことにより通信遮断率は13.6％となる。

図１２(1) は、本発明の手法を用いずに収容局をランダムに配置する例を示す。図１２(2) は、本発明の図８〜図１０に示すような置局優先順位のもとで９局を配置する例を示す（図１１(2) と同じ）。図１２(1) に示すように、集約局Ｎ７，Ｎ15に対して、ランダムに７つの収容局Ｎ１，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ９，Ｎ11，Ｎ14を設置した場合、設備コストは９となるものの、通信遮断は、複数の経路がないＮ４とＮ８、Ｎ13とＮ９、Ｎ９とＮ10、Ｎ16とＮ12のそれぞれの経路で発生し、通信遮断率は４／22＝18.2％となる。したがって、全９局をランダムに設置する場合に比べて、本発明による置局優先順位のもとで９局を設置する場合の設備コストは同じであるが、通信遮断率は18.2％から13.6％になり、 4.6％の削減が可能となる。

以上説明した各処理ステップは、コンピュータを置局設計装置として機能させるコンピュータプログラムにより実現することができる。このコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶させて、またはネットワーク経由で配布が可能なものである。

１１ 無線局情報設定部
１２ 局間無線伝送品質算出部
１３ 局間無線リンク接続可否判定部
１４ 無線局ロバストネス算出部
１５ 置局優先順位設定部

Claims (5)

1. 無線局間で順次無線接続して所定の集約局に無線接続されるマルチホップ無線ネットワークの置局設計装置において、
   前記無線局および前記集約局の無線局情報および地形情報から前記無線局間または前記無線局と前記集約局の無線伝送品質を計算し、前記集約局まで無線接続可となる無線局を特定し、前記集約局から各無線局までの最短ホップ数を算出する手段と、
   前記最短ホップ数が１となる無線局のロバストネスを最大値とし、他の無線局との接続経路が１本の無線局のロバストネスを最小値として設定し、その他の無線局のロバストネスを該最大値と該最小値の中間値として設定する無線局ロバストネス算出手段と、
   前記無線局のロバストネスの値に応じて置局優先順位を指定する置局優先順位設定手段と
   を備え、
   前記無線局ロバストネス算出手段は、前記集約局から前記無線局までの全経路に対して必ず通過する１の無線局または複数の組合せからなる無線局をクリティカルノードとし、該クリティカルノードの数または組合せ局数を当該無線局のロバストネスの値とする構成であり、
   前記置局優先順位設定手段は、置局優先順位が同じ無線局に対して、前記無線局ロバストネス算出手段で算出する前記クリティカルノードとしての判定回数の多い順に置局優先順位を指定する構成である
   ことを特徴とする置局設計装置。
2. 請求項１に記載の置局設計装置において、
   さらに、前記置局優先順位設定手段は、置局優先順位が同じ無線局に対して、局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定する構成である
   ことを特徴とする置局設計装置。
3. 無線局間で順次無線接続して所定の集約局に無線接続されるマルチホップ無線ネットワークの置局設計方法において、
   前記無線局および前記集約局の無線局情報および地形情報から前記無線局間または前記無線局と前記集約局の無線伝送品質を計算し、前記集約局まで無線接続可となる無線局を特定し、前記集約局から各無線局までの最短ホップ数を算出する処理ステップ１と、
   前記最短ホップ数が１となる無線局のロバストネスを最大値とし、他の無線局との接続経路が１本の無線局のロバストネスを最小値として設定し、その他の無線局のロバストネスを該最大値と該最小値の中間値として設定する処理ステップ２と、
   前記無線局のロバストネスの値に応じて置局優先順位を指定する処理ステップ３と
   を有し、
   前記処理ステップ２は、前記集約局から前記無線局までの全経路に対して必ず通過する１の無線局または複数の組合せからなる無線局をクリティカルノードとし、該クリティカルノードの数または組合せ局数を当該無線局のロバストネスの値とし、
   前記処理ステップ３は、置局優先順位が同じ無線局に対して、前記処理ステップ２で算出する前記クリティカルノードとしての判定回数の多い順に置局優先順位を指定する
   ことを特徴とする置局設計方法。
4. 請求項３に記載の置局設計方法において、
   さらに、前記処理ステップ３は、置局優先順位が同じ無線局に対して、局間の無線電力マージンの最小値の大きい順に置局優先順位を指定する
   ことを特徴とする置局設計方法。
5. 請求項３または請求項４に記載の処理ステップ１〜処理ステップ３をコンピュータに実行させて、前記集約局に接続する無線局の置局優先順位を指定することを特徴とする置局設計プログラム。

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